郭冬發(fā)：構(gòu)建質(zhì)譜核心技術(shù)的四大特性
發(fā)布時(shí)間:2018-09-22 閱讀次數(shù)：10037次
由中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)、中國化學(xué)會(huì)質(zhì)譜分析專業(yè)委員會(huì)和中國儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器分會(huì)質(zhì)譜儀器專業(yè)委員會(huì)聯(lián)合主辦的“2018年中國質(zhì)譜學(xué)術(shù)大會(huì)”將于2018年11月23日在廣州召開。本屆會(huì)議在中國質(zhì)譜發(fā)展歷史上將具有里程碑的意義，它標(biāo)志著中國質(zhì)譜發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)代。近日，分析測試百科網(wǎng)采訪到核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的郭冬發(fā)研究員，他將從自己研究的角度談?wù)務(wù)匍_本次中國質(zhì)譜大會(huì)的意義和中國質(zhì)譜的發(fā)展的看法與見解。
核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研究員 郭冬發(fā)
獨(dú)一無二的新時(shí)代質(zhì)譜大會(huì)
提及本次召開的2018年中國質(zhì)譜學(xué)術(shù)大會(huì)，郭冬發(fā)表示：首先從形式上看，過去中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)、中國化學(xué)會(huì)質(zhì)譜分析專業(yè)委員會(huì)、中國儀器儀表學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)各自開會(huì)，今年11月即將召開的中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)大會(huì)整合三會(huì)一起召開，形式上的這種變化是質(zhì)譜進(jìn)入新時(shí)代的特征之一。
其次在內(nèi)容上，國家的發(fā)展大勢進(jìn)入了以高質(zhì)量發(fā)展為特征的新時(shí)代，中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)緊跟新時(shí)代國家的重大需求和面臨的問題，召開全國層面的中國質(zhì)譜大會(huì)意義深遠(yuǎn)。質(zhì)譜已從最早的無機(jī)、同位素、有機(jī)、生物等方面擴(kuò)大到精準(zhǔn)醫(yī)療、臨床醫(yī)療等領(lǐng)域，涉及面更寬廣。新時(shí)代下，質(zhì)譜的應(yīng)用無所不包，既能改善生活質(zhì)量，又能提高綠色經(jīng)濟(jì)水平，是一個(gè)強(qiáng)有力的工具。“各種質(zhì)譜都進(jìn)入了新時(shí)代。”郭冬發(fā)舉例說，“比如傳統(tǒng)的無機(jī)質(zhì)譜也進(jìn)入了新時(shí)代。人們每天日常所見的許多物質(zhì)都是無機(jī)物，包括地球、巖石、土壤、鋼材鋁材、各種材料等等。由于人們對無機(jī)元素認(rèn)識(shí)得早，近年來會(huì)感覺無機(jī)元素分析在走下坡路；但無機(jī)元素分析本身還有很多未解決的工程技術(shù)問題、國家需求問題和科學(xué)問題。而且，無機(jī)和有機(jī)的界限現(xiàn)在越來越模糊，金屬和生物蛋白質(zhì)復(fù)合物中，金屬的作用越來越大。比如廈門大學(xué)王秋泉教授研究金屬標(biāo)記物，清華大學(xué)張新榮教授研究稀土標(biāo)記物，都用到ICP-MS。醫(yī)療領(lǐng)域中，我現(xiàn)在吃的降糖藥‘鉻補(bǔ)充劑’有效成分也是無機(jī)元素，但卻能有效降低血糖濃度。故新時(shí)代下，無機(jī)質(zhì)譜不僅不會(huì)被取代，還會(huì)越來越強(qiáng)?！?/p>
第三方面，中國質(zhì)譜大會(huì)也將促進(jìn)質(zhì)譜內(nèi)部各學(xué)科之間的交叉融合，比如無機(jī)同位素質(zhì)譜的學(xué)者將從質(zhì)譜在有機(jī)、生物、精準(zhǔn)醫(yī)療的應(yīng)用中得到啟發(fā)，反過來也一樣。通過質(zhì)譜大會(huì)這個(gè)獨(dú)一無二的平臺(tái)，質(zhì)譜學(xué)者跳出“同溫層”進(jìn)行交流，互相汲取精華。質(zhì)譜各種技術(shù)取長補(bǔ)短、相互融合，在這個(gè)大會(huì)上參與者總能收獲自己喜歡的知識(shí)，既有“同溫層”的交流，又有不同梯度的碰撞和火花，很有可能促進(jìn)創(chuàng)新。
質(zhì)譜應(yīng)用貫穿整個(gè)能源材料過程
郭冬發(fā)介紹說，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院成立于1959年3月，是一所以鈾礦地質(zhì)為主的多學(xué)科綜合性研究機(jī)構(gòu)，設(shè)有地質(zhì)礦產(chǎn)、遙感技術(shù)應(yīng)用、環(huán)境工程、分析測試、物化探、儀器開發(fā)和科技信息等7個(gè)研究所，建有核工業(yè)地質(zhì)分析測試中心。
核工業(yè)北京地質(zhì)研究院有60年的歷史，而且在建院前的1955年就建立了實(shí)驗(yàn)室，國內(nèi)最早的第一代無機(jī)質(zhì)譜儀、同位素質(zhì)譜儀都在這里，實(shí)驗(yàn)室配備了典型意義上的各種無機(jī)質(zhì)譜。首先，中心有各種ICP-MS為主的質(zhì)譜做元素分析；其次，同位素質(zhì)譜比較完備，包括多接收 ICP-MS，激光燒蝕ICP-MS，熱電離質(zhì)譜儀，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜，大尺寸二次離子質(zhì)譜，惰性氣體質(zhì)譜等，幾乎涵蓋了各種無機(jī)同位素質(zhì)譜。在加速器質(zhì)譜、激光共振電離質(zhì)譜方面，中心也與其它單位開展合作。所以在整個(gè)無機(jī)研究領(lǐng)域，中核地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的檢測能力覆蓋了從氫同位素、鈾同位素及惰性氣體檢測的幾乎所有領(lǐng)域。
“這些質(zhì)譜主要為新能源服務(wù)，”郭冬發(fā)說。我國的能源結(jié)構(gòu)以煤火電力為主，2017年數(shù)據(jù)顯示，其中火電約73.4%，水電約17.2%，風(fēng)電約4.3%，核電約3.94%，太陽能電力約1.04%。目前，我國38臺(tái)百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組在運(yùn)行，另有19臺(tái)在建，共57臺(tái)。
郭冬發(fā)說：“按照國家規(guī)劃，2020年運(yùn)行的核電機(jī)組發(fā)電容量是5800萬千瓦，在建的就有3000萬千瓦，即使到達(dá)這個(gè)程度，占比仍然較低。我們主要做新能源，核能發(fā)展空間很大，且核電是穩(wěn)定可靠的清潔能源。質(zhì)譜主要就為這一領(lǐng)域服務(wù)，從地質(zhì)勘查找礦到核燃料循環(huán)、核材料的生產(chǎn)質(zhì)量控制、環(huán)境檢測、廢物地下處置等都需要無機(jī)同位素質(zhì)譜一直伴隨工作?！?/p>
“我曾在幾年前的質(zhì)譜會(huì)上做過關(guān)于從鈾礦勘查到核廢物處置的質(zhì)譜應(yīng)用報(bào)告。這說明了質(zhì)譜在整個(gè)能源領(lǐng)域的用途很大，地下找礦需要ICP無機(jī)質(zhì)譜、地表信息數(shù)據(jù)搜集需要同位素質(zhì)譜，污染水源的測量也離不開質(zhì)譜，所以質(zhì)譜在能源領(lǐng)域無處不在。這也是我們實(shí)驗(yàn)室配這么多質(zhì)譜儀的原因?！惫l(fā)舉例道：“地質(zhì)勘查找礦的時(shí)候，需要地表土壤樣品，如果具有隱伏礦，那么某些氣體會(huì)通過納米顆粒帶到地表，地表土壤吸收后，則需要用高精度大通量的ICP-MS去測量，最后確定出異常的分布范圍。這個(gè)方法叫“微弱信息捕捉法”，通過找礦的蛛絲馬跡來鎖定礦在哪里。之后再將找到的鈾礦中的鈾提取開采出來做成鈾產(chǎn)品。此后，要進(jìn)行鈾轉(zhuǎn)化、鈾濃縮和核燃料元件加工。加工好的核燃料元件進(jìn)入核電站發(fā)電，用過的核燃料元件需要經(jīng)過冷卻，再進(jìn)行后處理。經(jīng)過后處理后形成的最終廢物則需要進(jìn)行深部地質(zhì)處置。這些過程和節(jié)點(diǎn)涉及的檢測，很多都需要靠質(zhì)譜儀來實(shí)現(xiàn)?！?/p>
核心技術(shù)：一體化鈾礦地質(zhì)分析平臺(tái)（IUGAP）
目前，郭冬發(fā)研究團(tuán)隊(duì)建立的一體化的鈾礦地質(zhì)分析平臺(tái)（IUGAP）主要應(yīng)用于地質(zhì)分析、鈾礦勘查、核材料分析等，也具備第三方檢測功能，同時(shí)也承擔(dān)國家項(xiàng)目。
一體化鈾礦地質(zhì)分析平臺(tái)（IUGAP）
“目前，我們主要仍以方法開發(fā)為主?！惫l(fā)強(qiáng)調(diào)：“如果從單一儀器來講，我們的優(yōu)勢并不明顯，但擁有IUGAP平臺(tái)就具有了核心技術(shù)。核心技術(shù)四大特性包括價(jià)值性、稀缺性、不可替代性和難以復(fù)制性。20年前我們有ICP-MS是核心技術(shù)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)具備ICP-MS具有上述四大特性；而如今ICP-MS到處都是，這就使當(dāng)時(shí)的核心技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)在的普通技術(shù)。同樣，現(xiàn)在很多實(shí)驗(yàn)室也能購買熱電離質(zhì)譜儀。現(xiàn)在，我們把所有的儀器都整合到IUGAP平臺(tái)，就具備了核心技術(shù)的四大特性。IUGAP平臺(tái)首先具有價(jià)值性，能解決國家的重大需求和科學(xué)問題；第二具有稀缺性，國內(nèi)能組合這樣平臺(tái)的單位很少；第三在鈾礦地質(zhì)分析中具有不可替代性；第四具有難以復(fù)制性，即使投資若干億建一個(gè)和我們一樣的實(shí)驗(yàn)室，但如果缺乏專業(yè)人員，缺乏各種各樣大量的分析測試技術(shù)方法，以及技術(shù)方法用到的各種各樣的裝置和零部件，要建立這樣的平臺(tái)至少需要若干年。所以，我們在一定的時(shí)間內(nèi)擁有核心技術(shù)。
“比如我們實(shí)驗(yàn)室使用惰性氣體質(zhì)譜儀，研制了液、氣及流體包裹體樣品的制樣系統(tǒng)以及整個(gè)流程，如何從樣品轉(zhuǎn)化成適應(yīng)質(zhì)譜進(jìn)樣，這涉及大量的化學(xué)過程、物理過程，我們擁有相當(dāng)數(shù)量的專利和技巧。同樣以ICP-MS找礦應(yīng)用為例，面對各種巖石各種樣品，需要特色的化學(xué)處理方法，使之變成適應(yīng)ICP-MS進(jìn)樣的形式。這是我們質(zhì)譜研究的特點(diǎn)。
“再以SIMS二次離子質(zhì)譜舉例，可以用一臺(tái)掃描電鏡對微粒進(jìn)行微區(qū)觀測，但沒有同位素分析功能，利用我們掌握的坐標(biāo)轉(zhuǎn)移功能，可在掃描電鏡標(biāo)記的基礎(chǔ)上，將觀測點(diǎn)轉(zhuǎn)到SIMS上進(jìn)行同位素測量；接下來也可以再轉(zhuǎn)到激光多接收 ICP-MS上去。這相當(dāng)于樣品在中間不動(dòng)，但我們可以變換坐標(biāo)用不同的儀器來測量，稱為坐標(biāo)轉(zhuǎn)移定位技術(shù)。這樣就能針對樣品發(fā)揮每一臺(tái)儀器的特點(diǎn)，在同一IUGAP平臺(tái)上來實(shí)現(xiàn)。我們研發(fā)的質(zhì)譜方法已從特色的制樣，發(fā)展到微區(qū)的同位素分析和三維成像分析。
概括來看，我們當(dāng)前的核心技術(shù)是，運(yùn)行特色的IUGAP一體化的鈾礦地質(zhì)分析平臺(tái)。下一步我們將繼續(xù)發(fā)展該平臺(tái)為基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式檢測平臺(tái)（DTP）。今后，儀器雖然在我們實(shí)驗(yàn)室，但用戶的樣品可以在外地利用該平臺(tái)進(jìn)行精確檢測。我們的研究工作全部都圍繞著能源，以核能為主，當(dāng)然也還可用在煤炭、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和生物樣品中碳同位素、硫同位素示蹤，水中氫、氘同位素的測定等。”
建立質(zhì)譜機(jī)組，研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
據(jù)悉，IUGAP平臺(tái)擁有各種ICP-MS近10臺(tái)，形成了ICP-MS機(jī)組，包括高分辨ICP-MS，四極桿ICP-MS，多接收ICP-MS，也購買了國產(chǎn)的ICP-MS。
IUGAP平臺(tái)購置了高分辨大尺寸二次離子質(zhì)譜（CAMECA IMS 1280-HR），該儀器主要進(jìn)行同位素和微區(qū)分析，研究地質(zhì)年代，測量核材料的同位素以及一些稀缺樣品。由于微區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)非常匱乏，所以郭冬發(fā)團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)微區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用于質(zhì)譜測定。核地研院從上世紀(jì)60年代開始研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，已研發(fā)許多國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。
CAMECA IMS 1280-HR二次離子質(zhì)譜
搭建質(zhì)譜研發(fā)平臺(tái)
除此之外，郭冬發(fā)為質(zhì)譜機(jī)組建立了運(yùn)行維護(hù)的團(tuán)隊(duì)，分別負(fù)責(zé)機(jī)械、電子和軟件開發(fā)。團(tuán)隊(duì)除研發(fā)一些用于質(zhì)譜（如熱電離質(zhì)譜）的零部件外，已搭建了兩臺(tái)專用的TOF型和小型磁式熱電離質(zhì)譜儀。郭冬發(fā)說：“TOF質(zhì)譜有其長處，但若用于精確定量，其豐度靈敏度和精度都不夠。搭建熱電離質(zhì)譜主要作為測試平臺(tái)來測試如離子源、離子光學(xué)、檢測器和質(zhì)譜電子學(xué)以及人員技能訓(xùn)練等；當(dāng)然另一方面也防范了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。我們用10年時(shí)間建立的這個(gè)平臺(tái)對實(shí)驗(yàn)室已有的大量質(zhì)譜儀器維護(hù)運(yùn)行、質(zhì)譜儀器技術(shù)的積累、質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用和人才培養(yǎng)起到了很好的作用?！?/p>
質(zhì)譜儀樣品前處理系統(tǒng)
Finnigan MAT Element高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（最早進(jìn)入中國的ICP-MS之一，現(xiàn)已被賽默飛收購）
建立儀器研發(fā)平臺(tái) 培養(yǎng)人才是關(guān)鍵
談及中國質(zhì)譜的發(fā)展方向，郭冬發(fā)表示，從無機(jī)領(lǐng)域來看，做應(yīng)用的大部分都用進(jìn)口質(zhì)譜，因?yàn)樾枰驹诰奕思绨蛏舷蚯白?，但是做的東西好像都不屬于我們?！拔艺J(rèn)為要推動(dòng)中國質(zhì)譜的發(fā)展，需利用目前的研發(fā)平臺(tái)，從試制新原理開始，從一個(gè)個(gè)零部件開始研究，培養(yǎng)一批技術(shù)研究人才，讓他們可按照自己的想法組裝出一臺(tái)能用的儀器。如果不從這方面抓起，而是買一個(gè)零部件就組裝一下，那我們永遠(yuǎn)無法知道質(zhì)譜內(nèi)在的物理過程以及離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這樣研究儀器很難把儀器研究好，頂多就是一個(gè)仿制品?！?/p>
“中國質(zhì)譜的發(fā)展關(guān)鍵是要大量地培養(yǎng)這類研發(fā)人才，”郭冬發(fā)說，“比如我們建立的儀器研發(fā)平臺(tái)，就有研究機(jī)械、電子的人才；將來若要發(fā)展離子源，就專門培養(yǎng)做離子源的人才，使其攻克離子源設(shè)計(jì)制造的難關(guān)；我們還可用類似方法培養(yǎng)人才，逐步攻克質(zhì)譜離子透鏡、質(zhì)量分析器、檢測器、數(shù)據(jù)處理的各項(xiàng)難關(guān)，這樣中國質(zhì)譜才會(huì)有真正的發(fā)展。”
郭冬發(fā)也發(fā)表了對中國的商品化質(zhì)譜儀器發(fā)展道路的看法，他說：首先，如果是通用儀器，必須比進(jìn)口儀器至少多一點(diǎn)特色。比如進(jìn)口ICP-MS非常成熟，價(jià)格也基本一致，中國通過這么多年儀器研發(fā)，性能已經(jīng)達(dá)到進(jìn)口儀器某個(gè)年代的水平，但拼通用性能暫時(shí)優(yōu)勢不明顯。不過，現(xiàn)在國產(chǎn)的ICP-MS能用且某些方面有特色，我國企業(yè)也具有了生產(chǎn)能力，發(fā)展前途是好的。在具有一定的ICP-MS研發(fā)制造能力后，需要努力研發(fā)出具有特色的技術(shù)，哪怕只有一點(diǎn)特色。其次，可以走專用儀器的發(fā)展道路，這是中國質(zhì)譜突破和發(fā)展的關(guān)鍵。如果找到一個(gè)足夠需求量的應(yīng)用領(lǐng)域，為其提供專用儀器，比如結(jié)合前處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，就能殺出一條血路。這時(shí)，可能這臺(tái)質(zhì)譜不叫質(zhì)譜儀了，可能有其它的名稱。如果該專用儀器在某一領(lǐng)域有特殊的用途，就具備了前文所述核心技術(shù)的四大特性：有用、稀缺、不可替代和難以復(fù)制。如果能找到這種針對某領(lǐng)域的專用儀器，那么可以買國外最新的零部件，形成中國特色的、真正具有自主知識(shí)技術(shù)產(chǎn)權(quán)的專用質(zhì)譜儀。此后可以針對該應(yīng)用行業(yè)建立和推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，以促使該專用質(zhì)譜儀發(fā)展壯大。
談到技術(shù)的發(fā)展，郭冬發(fā)也很感慨，“以前我們都不敢想，如今ICP-MS能這么普及，以前ICP-MS只能做痕量，現(xiàn)在可以做常量，還可以做高精度。近年來無論國外的文獻(xiàn)，還是地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和地質(zhì)分析里的文章都有論述。如一位奧地利學(xué)者分析硅酸鹽中的硅，硅含量超過60%，ICP-MS測量精度竟能達(dá)到0.3%，這在以前是不可想象的。ICP-MS已從痕量元素測定發(fā)展到更寬廣的動(dòng)態(tài)范圍，從痕量做到常量，大大擴(kuò)展了無機(jī)質(zhì)譜的應(yīng)用范圍?！?/p>
如何樹立中國質(zhì)譜在世界上的影響力和地位
先專利再標(biāo)準(zhǔn)最后再發(fā)文章
談到中國質(zhì)譜在世界上的影響力和地位，郭冬發(fā)表示：“仿制絕對沒有前途、沒有希望，絕對是一條死路。中國雖然不是技術(shù)的原創(chuàng)地，但中國的特點(diǎn)是市場特別大，面臨許多中國特色問題，只有以問題為導(dǎo)向，我們才能形成儀器的特色。比如針對某一個(gè)領(lǐng)域的問題，而解決該問題必須用質(zhì)譜，我們需要先形成專利、再形成標(biāo)準(zhǔn)，最后才是發(fā)表文章。而我國的現(xiàn)狀是：自己還沒做幾個(gè)，就開始發(fā)文章，結(jié)果外國免費(fèi)拿走了專利，我們就永遠(yuǎn)是跟隨者。比如中國的資源特征，環(huán)境狀況，中國人的特征，都與國外不同。針對這些領(lǐng)域的海量問題，梳理出必須用質(zhì)譜解決的問題，尋找技術(shù)路徑，研制出一類專用質(zhì)譜，這樣才能在世界上真正獲得地位。”
重視基礎(chǔ)原理創(chuàng)新和更多的細(xì)節(jié)
當(dāng)然，基礎(chǔ)原理的創(chuàng)新也不可忽視。比如陳洪淵院士提出了質(zhì)譜函數(shù)，研究光電熱的轉(zhuǎn)化。從事基礎(chǔ)研究需要有10年、20年坐冷板凳的準(zhǔn)備。在基礎(chǔ)研究沒有突破之前，我們可在應(yīng)用研究方面做問題導(dǎo)向的優(yōu)化組合，這是當(dāng)前中國質(zhì)譜突破瓶頸的一條路徑。
舉例來說，無論當(dāng)前Orbitrap、Q-TOF多么先進(jìn)，但在同位素高精度測量領(lǐng)域磁質(zhì)譜還不可替代。如此經(jīng)典的技術(shù)，國內(nèi)還面臨很多技術(shù)難關(guān)，比如如何精密測量磁場、控制磁場，如何造一臺(tái)十萬分之五精度的高壓電源等。前面所述是質(zhì)譜原理、質(zhì)譜應(yīng)用的重要性，但其實(shí)每一個(gè)細(xì)節(jié)都需要做精。
“7月31日，我代表中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)參加了張清蓮院士誕辰110周年紀(jì)念，他是中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)的首任理事長（1980-1984），他早年在核材料，氫材料，氫同位素方面有突出貢獻(xiàn)，解放前已在Science、Nature上發(fā)文章；改革開放以后是北大的首任化學(xué)系主任，在他80多歲的時(shí)候測了10個(gè)無機(jī)元素同位素的原子量，被IUPAC收錄接納了，在元素周期表上留下了中國人的數(shù)據(jù)，這是他對世界科學(xué)很大的貢獻(xiàn)。他做到這點(diǎn)的根本原因是求精準(zhǔn)。我參加張青蓮院士誕辰110周年紀(jì)念會(huì)深有感觸。在任何行業(yè)和專業(yè)里，我們都要堅(jiān)持到底，而不要總是哪里熱就跟風(fēng)到哪里。比如我本人本質(zhì)上就是堅(jiān)持兩條：求精準(zhǔn)，然后滿足需求。無論是從事質(zhì)譜基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、還是研發(fā)的都會(huì)有自己的空間。在現(xiàn)實(shí)階段進(jìn)行應(yīng)用研究，能做到很高超的地步也是高大上；基礎(chǔ)研究假如沒有達(dá)到基礎(chǔ)的目的，還不如應(yīng)用研究解決問題來得實(shí)在，自己選擇干什么要結(jié)合自身的匹配度。
最后， 祝愿中國質(zhì)譜能為國家做出更大的貢獻(xiàn)，能在國際上樹立應(yīng)有的地位，祝愿2018中國質(zhì)譜大會(huì)圓滿成功?！?/p>